Jesús Flórez
Fundación Síndrome de Down de Cantabria
Fundación Iberoamericana Down21
Avanzando un paso más en los mecanismos expuestos en el capítulo "Genes del cromosoma 21 y discapacidad intelectual" (V. Genes del cromosoma 21 y discapacidad intelectual), el presente capítulo aborda las consecuencias de la sobreexpresión de algunos genes del cromosoma 21 sobre la neurogénesis, tal como se observa en las fases más iniciales de la formación del cerebro del síndrome de Down.
La información aquí presentada se basa fundamentalmente en la siguiente revisión: Stagni F, Giacomini A, Emili M, Guidi S, Bartesaghi R. Neurogenesis impairment: An early developmental defect in Down syndrome. Free Radical Biology and Medicine (2017), Deterioro de la neurogénesis: un defecto de desarrollo temprano en el síndrome de Down
I ALTERACIONES EN EL NEURODESARROLLO DEL SÍNDROME DE DOWN
1. Anatomía macroscópica en personas con síndrome de Down
1.1. Fetos humanos
Pese a los primeros estudios en que no se observaban diferencias en la forma, peso y longitud fronto-occipital entre fetos con y sin SD, técnicas más refinadas que tenían en cuenta la edad gestacional demostraron que en los cerebros de los fetos con SD había una reducción del peso del cerebro y del volumen de varias estructuras del hipocampo y el cerebelo. Además, el cerebro mostraba alteraciones muy claras de la forma: el cerebro fetal con SD mostraba braquicefalia debida a una reducción de la longitud de los lóbulos frontales, y un aumento de la longitud transparietal. Además, el hipocampo se mostraba menos formado en comparación con de fetos normales. Mostraba alteraciones en las invaginaciones del giro dentado y del hipocampo. El diámetro transcerebeloso estaba disminuido, la forma del cerebelo en general se mostraba alterada: lóbulos más cotos y y fisuras menos profundas. La magnitud de todas estas diferencias entre los cerebros con y sin SD se encuentra entre -5% y -38%.
1.2. Bebés y niños
Los cerebros de los bebés y de los niños con síndrome de Down muestran una reducción del volumen en comparación con los del resto de la población, debido a una reducción del volumen tanto de la sustancia blanca como de la sustancia gris. A excepción de los lóbulos occipitales, todos los lóbulos muestran una reducción del volumen, y eso incluye igualmente al hipocampo, al cerebelo y la amígdala. Existen diferencias regionales. En los niños con SD se ha observado una reducción significativa en el volumen de la sustancia gris del lóbulo posterior del cerebelo, el giro cingulado, el giro parahipocámpico y el hipocampo, y en el volumen de la sustancia blanca en los lóbulos posterior/anterior del cerebelo, tronco cerebral izquierdo, lóbulos frontales y parietales, y región sub-lobar. En contraste, están preservados los volúmenes de sustancia gris en lóbulo temporal medio izquierdo y lóbulos parietales. Las alteraciones de la forma existentes en el periodo fetal se mantienen. A los 3-5 meses, la longitud fronto-occipital se ve acortada (secundaria a la reducción del crecimiento de los lóbulos frontales), los polos occipitales se ven aplastados, el lóbulo temporal superior es más estrecho, y el tronco cerebral y el cerebelo son más pequeños. A los 5 años, la circunferencia fronto-occipital está claramente reducida en el síndrome de Down. En conjunto, la magnitud de la diferencias entre la Población con y sin SD oscila entre -11% y -44%.
2. Citoarquitectura cerebral en el síndrome de Down
2.1. Fetos humanos
A la 40º semana de gestación, en los fetos de la población general las capas de la corteza visual se encuentran perfectamente definidas, mientras que en los fetos con síndrome de Down la distribución celular está más difuminada; e, igualmente, en la corteza temporal la emergencia de la laminación está más diferida y desorganizada. En el cerebro de fetos con SD (19,8±2,2 semanas de gestación), la densidad de neuronas cerebrales valoradas sobre la base de los niveles de expresión de la enolasa específica del cerebro , aparece normal; pero la cuantificación estereológica del número total de neuronas en la corteza mostró que los fetos con SD de 19 semanas de gestación tenían un número de células notablemente menor los fetos de la población normal. Además, fetos con síndrome de Down de 17-21 semanas tienen menor número de células que los controles en el giro dentado, hipocampos y varias regiones del giro parahipocámpico. Del mismo modo, las capas celulares del cerebelo se caracterizan por una marcada hipocelularidad y un grosor más reducido. En cuanto a la magnitud de las diferencias en celularidad de los fetos con y sin SD, se encuentra entre -22% y-39%.
2.2. Bebés y niños
Los estudios morfométricos realizados en recién nacidos con SD muestran que tienen menor número de células en la corteza visual primaria y que esta diferencia persiste durante la primera infancia. En el cerebro de niños con SD se han visto anomalías arquitectónicas y una pobreza significativa de células granulares en las áreas 3, 7, 17 y 41. También se ha visto esta reducción de la celularidad en estructuras extracorticales, como es el núcleo coclear ventral. Persiste en los niños la reducción de la densidad de células granulares observada ya en el cerebelo en las etapas de la vida fetal. Además de esta hipocelularidad, se aprecian notables anomalías en el tamaño de la minicolumnas corticales de la circunvolución temporal, lo que indica que existen notables defectos en la arquitectura de las unidades funcionales del neocortex. En relación con la magnitud de las diferencias de hipocelularidad entre los cerebros de niños con y sin síndrome de Down, se encuentra entre -19% y -57%.
3. Potencia proliferativa en el cerebro del síndrome de Down
La reducción de la celularidad en el cerebro de los fetos con SD sugiere que existe una disminución en la potencia proliferativa que se inicia en las etapas más tempranas de la neurogénesis. En la semana 7 de la gestación, la matriz germinal de la zona proliferativa se divide en dos zonas: la zona ventricular (ZV) y la zona subventricular (ZSV). Las neuronas que allí se forman migran a la placa cortical. En el telencéfalo humano, las neuronas neocorticales son generadas durante un periodo concreto que se inicia hacia la semana 6 de gestación y termina hacia la semana 18. En la semana 24 la ZV y ZSV disminuyen de tamaño y de capacidad proliferativa. En el giro dentado y en el cerebelo la neurogénesis es más prolongada que en las demás áreas cerebrales. En el giro dentado la neurogénesis se inicia hacia la semana 12 y termina a lo largo del primer año postnatal; en el cerebelo las células granulares se inicia hacia la semana 12 y continúa durante los primeros meses postnatales.
Observaciones realizadas en el cerebro fetal del SD entre las semanas 17 y 23 de gestación se apreció una notable reducción de células en proliferación en el giro dentado del hipocampo, en las zonas germinales del hipocampo propiamente dicho y del giro parahipocámpico, y en la matriz germinal del cuerno inferior del ventrículo lateral. Asimismo, hubo marcada reducción en la capa granular externa del cerebelo y en una región del quinto lóbulo cerebeloso. Pudo igualmente observarse una notable reducción de la proliferación celular en la ZV y ZSV de la corteza frontal en fetos con SD hacia la semana 18 de gestación. En otro tipo de estudios, trabajando con neuroesferas generadas a partir de la corteza frontal de fetos con síndrome de Down, se aprecia también un descenso en la proliferación.
Todos estos datos indican que hay una reducción de células proliferantes, extendida por numerosas regiones cerebrales del feto con SD, lo que indica claramente que existen alteraciones en la tasa de proliferación muy al comienzo de la neurogénesis. Como complemento de estos estudios, también en células madre pluripotentes inducidas a partir de fibroblastos de un adulto con síndrome de Down, las células precursoras neurales mostraron una menor tasa de proliferación que las correspondientes obtenidas de células disómicas. Todo ello confirma la evidencia de que, en el cerebro de las personas con síndrome de Down, la disminución del número de neuronas en diversas regiones cerebrales es consecuencia de una insuficiencia en la proliferación neuronal que se inicia muy tempranamente en el periodo fetal.
4. Adquisición del fenotipo celular en el cerebro con síndrome de Down
Una vez producidas las células cerebrales, son sometidas al proceso de diferenciación: o hacia el fenotipo propio de las células neuronales o neuronas propiamente dichas, o hacia el fenotipo de las células gliales de las que derivan los astrocitos. Los estudios realizados sobre este proceso muestran que en los fetos con SD, además de haber una disminución en la proliferación, se reduce también la adquisición del fenotipo "neurona" en beneficio del aumento en la adquisición del fenotipo "astrocito". Este defecto se aprecia ya en las fases tempranas de la neurogénesis. Tanto en los cerebros fetales como en el cerebro adulto son visibles la hipertrofia astrocítica y el aumento del número de astrocitos, hechos que se confirman en los cultivos corticales derivados de fetos con síndrome de Down y en las líneas humanas de células madres obtenidas de fibroblastos, o de células aisladas del líquido amniótico extraído en el segundo trimestre de un embarazo de SD.
Además de estar reducido el número de neuronas, éstas muestran alteraciones en sus prolongaciones: el número de dendritas y su longitud están disminuidos en proporciones variables, es menor el número de espinas que en ellas se originan, y la estructura de las espinas muestran diversas alteraciones morfológicas.
Se ha discutido ampliamente el papel que una apoptosis o muerte celular precoz pueda tener en la disminución de la población neuronal. Los datos no son concluyentes.
5. Resultados en modelos animales
Prácticamente todas las anomalías cerebrales y celulares descritas en el SD humano han sido confirmadas y replicadas en diversos modelos animales de dicho síndrome, especialmente en el modelo de ratón Ts65Dn que es el más universalmente utilizado. Hay reducción de la neurogénesis en ciertas regiones cerebrales, aumento de la diferenciación hacia la líneas astrocítica, y alteraciones en la conformación de las prolongaciones neuronales.
II MECANISMOS IMPLICADOS EN LAS ALTERACIONES DEL NEURODESARROLLO EN EL SÍNDROME DE DOWN
Empiezan ya a caracterizarse y comprenderse los mecanismos celulares y moleculares que explican los problemas que aparecen en el desarrollo del cerebro en el SD.
El hecho de que exista un descenso en la proliferación celular en el cerebro fetal se traduce en la reducción del número de células que se encuentran en ciclo de división. Esto puede deberse a: (i) reducción en la velocidad de proliferación (ciclo celular más prolongado): (ii) una salida precoz del ciclo celular (menor número de turnos de división); (iii) causas mixtas, porque la alteración en la duración del ciclo puede originar menores turnos de división. Además de la menor actividad proliferativa, si hay aumento en la muerte de las células neuroprogenitoras se reduciría aún más el número de células que se están dividiendo. Los datos de que disponemos sugieren que las alteraciones en el ciclo de división de celular son las determinantes clave de que disminuya la actividad proliferativa que caracteriza al SD.
1. Mecanismos responsables de las alteraciones en la potencia proliferativa
La progresión a lo largo del ciclo de división celular está estrechamente regulada por cinasas dependientes de ciclinas (CDKs) y sus interacciones con las ciclinas y los inhibidores de las CDK (CKIs). El ciclo celular se divide en dos fases, G1 y G2, separadas por una fase en la que sintetiza el ADN (fase S entre la G1 y la G2), y la fase de división celular (mitosis, fase M, entre la G2 y la G1). La regulación de la fase G1 es crucial para que exista un equilibrio entre el mantenimiento del tamaño de la población (pool) progenitora y la generación de neuronas diferenciadas: la inhibición de los reguladores positivos de la progresión del ciclo celular incrementa la diferenciación y reduce el tamaño de la población de células madre progenitoras. La actividad de ciclinas tipo D es necesaria para que se avance en la fase G1 del ciclo. Por ejemplo, la sobreexpresión de la ciclina D/CD4 ocasiona un acortamiento de la fase G1, demora la neurogénesis y aumenta la población progenitora.
En el modelo de ratón Ts65Dn las células progenitoras neurales presentes en la ZV embrionaria del ventrículo lateral y del hipocampo muestran una prolongación de la fase S y de la longitud total del ciclo del celular. En el cerebelo de los ratones Ts65Dn recién nacidos los precursores de las células granulares muestran también prolongación del ciclo celular por alargamiento de las fases G1 y G2. Estos datos en un modelo de síndrome de Down sugieren que la reducción de la velocidad de proliferación puede ser uno de los determinantes de que en el SD exista una disminución de la potencia proliferativa. Carecemos de datos sobre la dinámica del ciclo celular en el cerebro de los fetos con SD. Sin embargo, los datos obtenidos en el giro dentado hipocampal y en la matriz germinal ventricular de fetos con SD sugieren que los progenitores neurales muestran una prolongación de la fase G2 y, posiblemente, una prolongación global de todo el ciclo. De hecho, en fibroblastos de personas con SD se ha comprobado que la dinámica proliferativa está alterada, duplicándose incluso los tiempos del ciclo, posiblemente a cargo de la prolongación de la fase G1, y reduciendo consiguientemente la velocidad de proliferación. Es importante recordar que la fase G1 del ciclo es considerada como la ventana crítica durante la cual las células deciden proliferar, o parar de manera reversible pasando a G0, o iniciar la vía hacia la diferenciación.
Los actuales datos sugieren que la reducción en el número de células en ciclo de división en el cerebro trisómico puede ser explicada tanto por una reducción en la velocidad de proliferación (con aumento de la longitud del ciclo), como por una precoz salida del ciclo celular. Aunque la sobreexpresión de varios genes del cromosoma 21 que se encuentran triplicados podría ser la causa de estas alteraciones del ciclo, los resultados de varios estudios apuntan a que podrían tener un papel importante los siguientes: DYRK1A, APP, RCAN1 y OLIG1/2
1.1. El papel del gen DYRK1A
Es bien conocido que la triple presencia de este gen origina sobreexpresión de su proteína DYRK1A en los cerebros de fetos y adultos con SD. Los fibroblastos derivados de personas con SD muestran una alteración de su proliferación como consecuencia del alargamiento de la fase G1 del ciclo, prolongación que queda restaurada cuando reduciendo la actividad del gen DYRK1A. Además, las células madre inducidas pluripotentes muestran una anómala diferenciación neural que es en buena parte controlada al frenar farmacológicamente la actividad de ese gen. Todo ello indica que la proteína DYRK1A juega un papel clave en la regulación de la proliferación y diferenciación de estas células.
La ciclina D1 es una importante proteína del ciclo celular que promueve la transición de la fase G1 a la fase S. Y esta ciclina es una de las dianas de la cinasa DYRK1A que la fosforila, y con ello promueve su salida fuera del núcleo y su posterior degradación. Hay datos que indican que DYRK1A incrementa la duración de G1 de forma dosis-dependiente y controla su duración a base de reducir la expresión de la ciclina D1. Consecuente con la sobreexpresión de DYRK1A en el SD, los niveles de la ciclina D1 se encuentran reducidos en el lóbulo frontal de los fetos con SD y en los fibroblastos obtenidos de personas con síndrome de Down. Todo ello sugiere que uno de los mecanismos responsables de que la potencia proliferativa se vea reducida en el cerebro del SD pueda ser la salida precoz del ciclo, dependiente de DYRK1A/ciclina D1. Similares resultados se han obtenido en el modelo murino Ts65Dn. En ellos, la normalización genética de la dosis de Dyrk1A normaliza los niveles de ciclina D1 y recupera el número de neuronas corticales.
Pero además de reducir los niveles de ciclina D1, la sobreexpresión de DYRK1A incrementa los niveles transcripcionales de un factor antiproliferativo, el p27KIP1. La acción paralela sobre este factor y la ciclina D1 puede promover la salida del ciclo hacia G0 y provocar la ulterior diferenciación neuronal de forma prematura. Por otra parte, DYRK1A fosforila p53, y esta fosforilación hace que p53 actúe sobre sus genes diana y altere la transiciónG1/G0-fase S, reduciendo así la proliferación; diana principal de p53 es el factor p21CIP1, que influye reduciendo la proliferación. Pues bien, se han encontrado niveles elevados de DYRK1A, p53 y p21CIP1 en la corteza frontal de fetos y adultos con SD. Es posible, pues, que DYRK1A altere la proliferación también mediante el aumento de los niveles de p21CIP1.
Es también posible que la sobreexpresión de DYRK1A en el SD provoque una diferenciación prematura de las células progenitoras por un cuarto mecanismo: la reducción en los niveles de expresión del factor REST, un factor que juega un papel regulador clave en la diferenciación neuronal. La expresión de REST es muy sensible a los niveles de la cinasa DYRK1A. Sus niveles de transcripción se encuentran reducidos en las células madre y células progenitoras obtenidas de la corteza de fetos con SD.
1.2. El papel del gen APP
La relación del gen APP, presente en el cromosoma 21, y de sus proteínas y péptidos amiloides codificados por ellos, con la función cerebral en el síndrome de Down ha sido abundantemente estudiada, tanto en el neurodesarrollo como en la evolución durante la vida hacia el envejecimiento y su posible culminación en la enfermedad de Alzheimer. Aumentos de ARN, proteína APP y péptidos Aβ42 se observan ya en los cerebros fetales con SD. Igualmente se detectan aumentos de APP en células madre humanas generadas del líquido amniótico en embarazos de fetos con SD, así como en los cultivos de neuronas corticales y en los conos de crecimiento de neuronas derivadas de la corteza cerebral de fetos con SD.
Ya en el riñón embrionario humano (HEK 293) se ha comprobado que la sobreexpresión de APP inhibe la proliferación celular. Esta sobreexpresión altera todo un conjunto de genes implicados en la regulación del paso G1/S, particularmente rebajando la expresión de PSMA5 y PSMB7, dos genes importantes para el control del ciclo celular y de la proliferación celular, respectivamente. Si esto ocurre en HEK 293, cabe suponer que ese exceso de APP que se aprecia desde las primeras fases del neurodesarrollo en el cerebro del SD pueda también influir negativamente sobre la neurogénesis.
El procesamiento de la proteína APP da origen a varios derivados, incluido el dominio intracelular de la proteína precursora de amiloide (AICD). El exceso de APP origina exceso de AICD y este exceso de AICD parece afectar la proliferación celular por varios mecanismos, entre ellos, dos importantes vías de señalización: la glicógeno-sintasa cinasa 3-β (GSK3β) y la Sonic Hedgehog (SHH).
La AICD en exceso impide la fosforilación de la GSK3β; y ésta, en su forma desfosforilada, reduce la neurogénesis y altera el desarrollo de sinapsis. Pues bien, se ha comprobado la existencia de abundantes formas desfosforiladas de GSK3β en células madre derivadas del ratón Ts65Dn, en el hipocampo de estos ratones recién nacidos, y en el giro dentado y ZV del hipocampo de fetos con SD. Todo ello nos sugiere que las alteraciones tempranas en la actividad GSK3β puede contribuir de manera significativa a una alteración en la proliferación de células madre neurales durante el desarrollo del cerebro. Este aumento de la actividad de GSK3β (que es una cinasa que fosforila la ciclina D1) aumentará la fosforilación de la ciclina, su salida del núcleo y consiguiente degradación. Además, el aumento de GSK3β en la células trisómicas reduce la translocación de beta-catenina y, consiguientemente, la expresión de la ciclina D1. Así, pues, el hecho de que GSK3β regule los niveles de ciclina D1 de dos maneras diferentes sugiere que esta cinasa juega un papel importante en la regulación de la proliferación en el SD. Se ha comprobado que la inhibición de GSK3β es capaz de restaurar la proliferación, la especificación en el destino de las células y la maduración neuronal de células madre neurales obtenidas de la ZSV de los ratones Ts65Dn.
El exceso de AICD puede, además, interferir la proliferación neural por otro mecanismo: es capaz de aumentar en células madre neurales trisómicas la transcripción del gen que codifica un receptor transmembrana, el PTCH1. Este es un receptor del SHH que mantiene reprimida a la vía SHH que es mitogénica; y, por tanto, perturba la proliferación. En concordancia con el aumento de los niveles de APP/AICD, se ha visto sobreexpresión de PTCH1 en fetos con SD y en el modelo Ts65Dn. De este modo, el aumento de los niveles de PTCH1 como consecuencia del incremento del sistema APP/AICD puede que contribuya también a la alteración de la neurogénesis.
Por otra parte, la GSK3β activa la expresión del gen BACE1: BACE1 es una enzima que, al romper la proteína APP en el sitio β, incrementa la producción de Aβ y AICD. BACE1 es también activada por la fosforilación que le induce DYRK1A. Por consiguiente, pueden sumarse las acciones de GSK3β y DYRK1A para incrementar la producción de AICD y sus deletéreos efectos.
En conclusión, son muy variados los mecanismos por los que el exceso de actividad de APP en la trisomía 21 puede, finalmente, inducir las alteraciones en la neurogénesis que observamos desde las primeras etapas del desarrollo cerebral, tanto en los fetos con SD como en los modelos animales de este síndrome.
1.3. El papel del gen RCAN1
El nombre del gen RCAN1 ("regulador de calcineurina 1") sustituye al antiguamente conocido como "región crítica del síndrome de Down 1" (DSCR1). Lógicamente se encuentra en el cromosoma 21 y está triplicado en el síndrome de Down, incluido el cerebro fetal, y en los modelos de ratón trisómico. La proteína codificada por este gen interactúa con la calcineurina A y de ese modo inhibe las vías de señalización dependientes de calcineurina, que es una fosfatasa dependiente de calcio y calmodulina; es decir, su actividad como fosfatasa es desfosforilante, inversa a la de las cinasas que son fosforilantes. La calcineurina, por su acción desfosforilante, activa un importante factor que regula la actividad de las células T inmunitarias: el NFATc. Este factor en su estado desfosforilado puede pasar al núcleo en donde estimula la expresión de IL-2, la cual a su vez activa el crecimiento y la diferenciación de la respuesta de las células T. Pero, además de activar la respuesta inmunitaria, el NFAT está también implicado en varios procesos como son la estimulación del crecimiento axonal de las neuronas, la maduración de las células del sistema inmune, la formación de las válvulas cardíacas y la diferenciación de células musculares y óseas. En el marco de las alteraciones del desarrollo en el síndrome de Down, es importante observar que NFAT regula la proliferación y diferenciación de las células precursoras neurales provenientes de la ZSV. La inhibición de la activación de NFAT reduce el porcentaje de células en la fase G0/1 del ciclo celular y provoca la prolongación del ciclo, lo que sugiere que la señalización NFAT juega un papel importante en la regulación de la proliferación de las células madre neurales. Por consiguiente, cabe pensar que la inhibición de la calcineurina dependiente de RCAN1 en el cerebro del SD puede mantener a NFAT en su estado fosforilado, y ello impide su translocación al núcleo y sus consiguientes efectos pro-neurogénicos. En el cerebro fetal humano con síndrome de Down se ha comprobado que NFATc4 se encuentra en forma hiperfosforilada. Se ha visto igualmente que DYRK1A y RCAN1 actúan de forma sinérgica a la hora de controlar los niveles de hiperfosforilación de NFAT. También la actividad de GSK3β, sobreactivada en el síndrome de Down como hemos visto anteriormente, contribuye a fosforilar las proteínas NFATc e inhibir así su acción.
1.4. El papel del gen OLIG1/2
Los factores de transcripción oligodendrocíticos 1 y 2 (OLIG1 y OLIG2) están localizados en el cromosoma 21. En ratones transgénicos con sobreexpresión de OLIG2 en células madre y progenitoras neurales, aparece microcefalia, malformación del hipocampo, alteración de la laminación cortical y déficits motores. OLIG2 se encuentra sobreexpresado en la corteza frontal fetal con síndrome de Down en las semanas de gestación 14 y 18. Es en esas semanas en las que se aprecia una alteración de la proliferación en la ZV de la corteza fetal con síndrome de Down. Y las células precursoras adoptan una mayor tendencia hacia la forma oligodendrocítica. La acción puede deberse a que estos factores inhiben los canales de K+ KCNA3. También su acción puede deberse a que OLIG2 inhibe la expresión del factor de especificación neuronal PAX6, lo que provocaría un descenso en progenitores neuronales.
2. Mecanismos responsables de las alteraciones en la proporción de neuronas y astrocitos
Las diferentes clases de células en el telencéfalo humano (neuronas, astrocitos y oligodendrocitos) derivan de la ZV y ZSV, y van apareciendo en tiempos distintos, con un cierto solapamiento entre ellos. Las neuronas son las primeras que se forman, seguidas de los astrocitos y después los oligodendrocitos. Las células provenientes de la ZV se diferenciarán principalmente en neuronas y glia radial. Las células que derivan de la ZSV en las etapas embrionarias más tardías y en las etapas tempranas de la vida postnatal lo hacen hacia las líneas gliales. La selección en el destino al que llegarán las células madre corticales hacia una u otra línea dependerá tanto de factores intrínsecos como de estímulos extrínsecos. Por ejemplo, las células corticales neuroepiteliales se diferencian en neuronas cuando son tratadas con el factor de crecimiento derivado de plaquetas (PDGF); miembros de la familia de citocinas de los factores de crecimiento, como el factor neurotrófico ciliar (CNTF) o la interleucina 6, promueven la diferenciación astrocítica; y la SHH induce la determinación oligodendrocítica al facilitar que los genes OLIG1 y OLIG2 activen a los promotores específicos de los oligodendrocitos.
Como ya se ha explicado, en el síndrome de Down está perturbada la adquisición del fenotipo neural y favorecida la adquisición del fenotipo astrocítico. Una de las vías más cruciales en la maquinaria de la diferenciación astrogliogénica por parte de las células progenitoras neurales es la vía JAK-STAT (Janus kinase-signal transducer and activator of transcription). Productos como son las interleucinas, los interferones, la familia glicoproteína GP130, se unen a sus respectivos receptores y, como resultado, permiten que las proteínas JAK se fosforilen entre sí y de ese modo se activen. Las JAK activadas fosforilan los factores de transcripción STAT que, de ese modo, quedan activados y migran del citoplasma al núcleo para fijarse a promotores de genes diana e inician los procesos de transcripción. De los factores STAT, es el STAT3 el que especifica el destino hacia la diferenciación glial mediante activación de los genes astrocíticos como son el GFAP y el S100β.
Pues bien, el aumento en la adquisición del fenotipo astrocítico en el cerebro del síndrome de Down puede ser atribuido a la sobreexpresión de los ligandos y receptores que activan la vía de señalización JAK-STAT. En efecto, entre los genes del cromosoma 21 están varios genes que codifican receptores de interferones (IFNAR1, IFNAR2, IFNAR3) e interleucina 10 (IL10RB) y son por tanto, responsables de activar dicha vía. En concordancia con la triplicación de estos genes, se ha hallado un aumento significativo de proteínas IFNAR2 en fetos con síndrome de Down a las 19-21 semanas de gestación; ello puede incrementar la sensibilidad al IFN en el cerebro, promover en mayor grado la vía JAK-STAT y así aumentar el destino de las células neurales progenitoras hacia las vías astrogliogénicas del cerebro.
Pero, además, también los genes APP y DYRK1A producen hiperestimulación de la vía JAK-STAT con aumento de STAT3 e influyen sobre la vía astrogliogénica. La proteína APP actúa a través de sus derivados solubles (sAPP) y AICD sobreexpresados. DYRK1A fosforila y activa directamente STAT3.
III. CONCLUSIONES
Del conjunto de observaciones y datos mostrados en esta revisión podemos concluir que el proceso de la neurogénesis en el cerebro de las personas con síndrome de Down se encuentra claramente afectada, aunque con intensidad variable entre un individuo y otro. Y ello se debe fundamentalmente a la reducción del tamaño del depósito de células progenitoras neurales, desde el inicio del desarrollo cerebral. Esta reducción está causada por dos mecanismos: (i) la prolongación del ciclo celular, y (ii) la salida precoz de dicho ciclo; no está claro si además hay un aumento de la apoptosis celular. A la reducción del depósito de células progenitoras neurales se suma una preferencia a que dichas células se diferencien hacia la línea de astrocitos en lugar de neuronas. Es decir, no sólo la celularidad está reducida, hay menos neuronas, sino que, proporcionalmente, hay un número mayor de astrocitos de lo que debería ocurrir en un cerebro con desarrollo ordinario.
La complejidad de la función cerebral humana se debe al gran desarrollo de su corteza cerebral, en comparación con el resto de los seres biológicos, primates incluidos. Es lógico pensar, por consiguiente, que las alteraciones que apreciamos en ciertos dominios cognitivos y conductuales de las personas con síndrome de Down sean debidas a la reducción del desarrollo neuronal que se observa en determinadas áreas y núcleos de su cerebro, y al consiguiente déficit en la complejidad de la estructura y función de los circuitos cerebrales que conforman las redes neuronales. A la reducción en el número de neuronas se suman las alteraciones en su desarrollo, objetivadas en el menor número de dendritas, que son de menor tamaño, y al menor número de espinas dendríticas cuya conformación está también alterada.
En cuanto a los mecanismos responsables de la alteración de la proliferación, destacan los derivados de la sobreexpresión de los siguientes genes del cromosoma 21: DYRK1A, APP, RCAN1, OLIG1/2. Estos genes, cuando están triplicados, alteran la proliferación de las células madre neurales al prolongar su ciclo celular y/o provocar una salida precoz de él. Además se aprecia una especie de triangulación entre GSK3β, APP y RCAN1. El sistema APP/AICD impide la fosforilación de GSK3β con lo que aumenta los niveles de su forma activa; y este aumento de actividad, a su vez, aumenta los efectos del sistema APP/AICD e interfiere la señalización dependiente de RCAN1. Todo ello redunda en la reducción de la proliferación.
Sobre la alteración en la adquisición del fenotipo, el aumento de la propensión de los progenitores neurales a adquirir el fenotipo astrocítico parece deberse al exceso de actividad de la cascada de señalización JAK/STAT. La cascada se inicia tras la activación de receptores de interferón y de IL10Rβ, ambos codificados por sus respectivos genes que están presentes en el cromosoma 21 y lógicamente aumentados en el SD. Además, esta activación se ve aumentada por la acción de APP y DYRK1A. A ello se suma una menor propensión a adquirir el fenotipo neuronal, cuyo responsable parece ser también el exceso de APP y sus derivados solubles. En la salida precoz del ciclo, el responsable sería el exceso de APP y DYRK1A.
Parece evidente que, en las alteraciones cerebrales propias de la trisomía 21, no interviene la sobreexpresión de un único gen del cromosoma 21 sino las sobreexpresiones de varios genes cuya actividad converge en etapas muy tempranas del desarrollo neural. Pero a la vista del cuadro general ofrecido en esta revisión, parece también que algunos tienen un papel más relevante que otros, quizá porque los productos que codifican intervienen o actúan sobre un mayor número de procesos y vías. Tal es el caso de los genes APP y DYRK1A. Quizá por ello existe un mayor interés por conseguir productos que reduzcan o alivien las consecuencias de su sobreexpresión, y consiguientemente mejoren en algún grado la función cerebral. El mayor problema reside en que la neurogénesis y diferenciación neuronal tienen lugar en edades tempranas del neurodesarrollo fetal: es entonces cuando debería aplicarse la posible acción terapéutica.
Actualizado para Downciclopedia, enero 2019
